10ギガビット・イーサネット

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10ギガビット・イーサネットのインタフェースを持つルータ

10ギガビット・イーサネット (10 gigabit Ethernet、10GE、10GbE、10 GigE) はコンピュータ・システム同士を結ぶ通信規格の1つ。2008年現在、イーサネットの中では最新で最速の規格である。今後、LANWANMANに用いられるネットワークプロトコルの有力候補の1つである。

概要[編集]

名称のとおり、物理層では最大10Gbpsの伝送速度を持つイーサネットの規格であるIEEE 802.3-2005の規格が定められたものには、光ファイバー・ケーブルを使ったものとInfiniBandのように銅ケーブルを使ったものの2つがある。また、IEEE 802.3anによる規格としてツイストペアケーブルを使った10ギガビット・イーサネットがある。

10ギガビット・イーサネットでは半二重通信とリピーター機構、そしてそれに伴うCSMA/CDをあきらめ、既に1ギガビット・イーサネットで使い慣れたLANスイッチの全二重 による便利なリンク機構を使う。

10ギガビット・イーサネットはいくつかの物理層の規格を含んでいる。デバイスのそれぞれの物理ポートは異なるLANやWANの物理層規格をサポートする多くのモジュールをサポートできる。

転送速度が非常に高く、ツイステッド・ペア(TP)・ケーブルでは必要な周波数特性が十分に確保できないと考えられていたため、まず光ケーブルによる実装が普及した。TPケーブルによる10GbEの実装は規格が更新され続けている[1]。データの送信が終了する前に衝突を検出できない為、半二重通信とCSMA/CDをサポートせずに全二重通信だけを使用する。

  • 分類
    • 10GBASE-W WANを考慮しSONET/SDHとの接続が容易となるようにした規格 (9.95Gbps)
    • 10GBASE-R LAN/MAN用規格 (10.3Gbps)
    • 10GBASE-X 低速伝送を多重化した規格
  • 伝送距離による分類
    • 10GBASE-T 後述(カテゴリーにより最大値は37m~100m)
    • 10GBASE-S 300m以下
    • 10GBASE-L 10km以下
    • 10GBASE-E 40km以下

普通は伝送速度と伝送距離を組み合わせて10GBASE-LRのように呼ぶ。現在標準化されている規格は次の通りである。

  • 10GBASE-SR マルチモード光ケーブル 300m IEEE 802.3aeとして標準化。
  • 10GBASE-LR シングルモード光ケーブル 10km IEEE 802.3aeとして標準化。
  • 10GBASE-ER シングルモード光ケーブル 40km
  • 10GBASE-ZR シングルモード光ケーブル 80km [2]
  • 10GBASE-LX4 シングルモード光ケーブル 10km (3.125Gbps×4)
  • 10GBASE-LX4 マルチモード光ケーブル 300m (3.125Gbps×4)
  • 10GBASE-CX4 同軸ケーブル (stub) IEEE 802.3akとして標準化。
  • より対線(ツイストペアケーブル) IEEE 802.3anとして2006年6月に標準化。

その他

  • WAN PHY 64B/66BエンコードされたEthernetフレームをSONET/SDHのフレームへと変換する機能を持つPHY。ただし、WAN PHYをもつ10GbE機器であっても、実際にSONET/SDHと接続するには10GBASE-Wポートを持ったSONET/SDH用の光クロスコネクト装置等に一端収容する必要がある。
  • LAN PHY Ethernetフレームに64B/66Bエンコードのみを行った信号を送り出すPHY。

銅ケーブル[編集]

10GBASE-Tインタフェースを持つスイッチ

10GBASE-T[編集]

10GBASE-Tは、IEEE 802.3an-2006規格で定められた通常のアンシールデッド(UTP)、またはシールデッド(STP)のツイストペアケーブルによって最大100mまで10Gbps[3]の速度で接続する新しいイーサネット規格である。またオートネゴシエーションがサポートされることで、10GBASE-Tと1000BASE-Tの間でスムーズな移行が可能となる。2008年より複数のメーカーから半導体の出荷が開始されており[4][5][6][7]、現在ではこれらを用いたスイッチングハブレイヤ3スイッチや、サーバ向けネットワークカード(NIC)[8]が出荷されている。

10GBASE-Tのメリットのひとつは、1000BASE-Tと兼用可能な後述のRJ-45ツイストペアケーブル(銅ケーブル)による接続であるため、光ファイバによる接続のようなケーブル以外のXENPAK、XFP、SFP+など光トランシーバのアドインが必要無い点で、比較的安価に10ギガビット・イーサネットを構築することが可能となる。

Cat.6ケーブルにおける場合[編集]

TIA/EIA TSB-155では、10GBASE-Tにおいて既存のカテゴリー6・UTPケーブル(周波数特性:250MHz)を用いて最大37mまでの接続が可能とされている。なお、37~55mの範囲ではエイリアンクロストークの状況により条件付きで利用可能[9]、55m~100mについてはAnnex.Cの条件を満たす限り利用可能としている[1]

Cat.6Aケーブルにおける場合[編集]

JEITAによる試験や、BICSIによる指摘においては、既存のものを含むカテゴリー6/6AのUTPケーブルにおいてはエイリアンクロストークやバックグラウンドノイズに対する耐性の面で十分に性能が発揮できない可能性が指摘されている[1][10]

TIA/EIA-568-B.2 Addendum 10では、10GBASE-Tにおいて適用可能な新しいカテゴリー6A・UTPケーブル(周波数特性:500MHz)が定義された。カテゴリー6A・UTPに関してはISO/IEC 25N1173において更新された。これは一般的な用途に必要な100mの接続を可能とするものである。カテゴリー6Aのケーブル同士をボンディングした際のUTPケーブル間でのエイリアンクロストークを減少させるように設計されており、同ケーブルは従来よりも外周がやや太めになっている。[1]

UTPケーブルとアンシールデッドの8P8C(通称RJ45)コネクタでの問題が指摘されている。ケーブル自体バックグラウンドノイズに弱く、10GBASE-Tに必要な周波数マージンが十分でないか不足する場合があるとしている[1]

ボンディングされたケーブル間のエイリアンクロストークに関して、異種メーカー品のCat.6A UTPケーブルを混在させたり、Cat.6A UTPと、Cat.6以前のUTPを混在させた場合に、10GBASE-Tの規格を満たさない可能性が指摘されている[1][10]

接続機器側のコネクタ部分(パッチパネル)間のエイリアンクロストークにより、コネクタの間隔をある程度広く取らなければならない可能性が指摘されている[1]

これらの指摘に対して、TIAはTSB-190によるガイダンスを検討中であり、異種メーカー品のCat.6A UTPケーブルを混在させたり、Cat.6A UTPと、Cat.6以前のUTPを混在させても運用上は問題ないとする見解を出している[10]

ISO/IEC 25N1173ではカテゴリー6A/7A STPケーブルが策定され、それらを使用する場合には、Cat.6/Cat.6A UTPにおけるような問題はなく、10GBASE-T内の性能を十分発揮できると指摘している[1]

ケーブル仕様[編集]

左からF/UTP、U/FTP、F/FTPの順にノイズに強くなる。白い部分がシールドである。

シールドされてないツイストペアケーブル(UTP)に対して、シールドされたツイストペアケーブルはSTPと一般的に呼ばれる。STPの中でもシールドの具体的方式により下記の分類がある。

凡例
業界用語 ISO/IEC 11801 ケーブルシールド ペア線シールド
UTP U/UTP なし なし
STP, ScTP, PiMF U/FTP なし
FTP, STP, ScTP F/UTP なし
STP, ScTP S/UTP 編組 なし
S-FTP, SFTP, STP SF/UTP 編組, 箔 なし
FFTP F/FTP
SSTP, SFTP, STP PiMF S/FTP 編組
  • 全体シールド
    U
    非シールド
    F
    ホイル・シールド
    S
    網組シールド
  • 要素シールド(内部の対ごと)
    UTP
    非シールデッド・ツイスト・ペア
    FTP
    ホイル・シールデッド・ツイスト・ペア

主にワイヤの径の違いで周波数の特性が決まるため、次のようにカテゴリ7(周波数特性:600MHz)以上の1,200MHzのケーブルも販売されている。

  • 0.55mm : 650MHz
  • 0.58mm : 900MHz
  • 0.64mm : 1,200MHz

シールド・ケーブルは正しくアースをとらないと、静電気などによって逆にノイズの発生源になってしまうことがあるため、将来の10Gイーサネットに備えてケーブルだけカテゴリ7などにして、カテゴリ5や6相当の配線シールドに配慮しないネットワーク機器を接続すると、十分な性能が発揮できず、場合によっては動作が不安定になることが考えられる。

LANケーブル内ではより (撚り) をかけることによってノイズの侵入を最小限にしているが、ケーブル両端のコネクタに接続する部分ではどうしてもよりが解かれてしまう。ある日本のケーブル・メーカーではカテゴリ5のよりが解かれる長さは12mmであり、カテゴリ7では3mmまで短くしているという[11]

ACR
減衰対クロストーク比 (ACR) とは情報工学でのS/N比に相当し、ケーブルの性能を表す。NEXTと呼ばれる近端漏話と減衰で構成される。-dBで表す。

コネクタ[編集]

UTPケーブルについては従来規格のイーサネットで広く普及した650MHz対応のIEC 60603-7コネクタ 8P8C(通称RJ45)を使用する。

STP向けには、TERAGG45ARJ45も規程されている。これらのコネクタは10GBASE-T向けに利用されている[1]


変調[編集]

IEEE 802.3anは、10GBASE-T用として、パルス振幅変調 (pulse-amplitude modulation、PAM) のトムリンソン-ハラシマプリコーデッド (Tomlinson-Harashima Precoded 、THP) 版のワイヤレベルでの変調を規定している。それは、16値のPAMであり、DSQ128として知られる2次元チェッカーパターンによるエンコードである。PAN-12やPAM-10、PAM-8等の、それぞれにTHP付く場合と付かない場合での、いくつかの提案がワイヤレベルでの変調に関して考慮された。PAM-5は1つ前の世代の規格である1000BASE-Tで使われている。

10GBASE-CX4[編集]

10GBASE-CX4は片方向で4本、両方向で8本の伝送路を持ちそれぞれの伝送路で2本の銅電線を使用するため、合計16本の銅電線よりなるケーブルを使用する比較的短距離用の10Gビット・イーサネット接続の規格である。IEEE 802.3akで規格が定められ、Infinibandによく似た技術を使用している。

最長15m(49フィート)までしか伸ばせないが、10Gビット・イーサネットとしては最もポート単価が安い。10Gビット・イーサネットのモジュールに使用される通信半導体デバイスは、マルチ・ソース・アグリーメント (MSA) に従ってそのデバイスから外部コネクタまでの接続が行なわれる。XENPAK、X2、XPAKのコネクタは標準のMSAピン配列に合わせてある。CX4モジュールは少なくともXENPAKとX2には揃えてあり、XPAKにも恐らくある。これと同じサイズに作るのはより難しい。銅線で出来た各伝送路は3.125ギガボー (Gbaud) の通信容量を持つ。 802.3aeの48節のプロトコルが4本のデータ転送の管理し同期をとる。この機能はPCS (Physical Coding Sublayer) で処理される。49節でのプロトコルを使用する10GBASE-Rと比べると48節で使う8-10ビット変換ではより信号に余裕がある。一方、49節では64-66ビットの変換のため、48節に比べて余裕が無くより狭くなっている。

光ファイバー・ケーブル[編集]

光トランシーバーはホストデバイス同士を、IEEE 802.3規格の48節の4チャンネル・パラレライズド・ブリッジ、又は49節によるブリッジを結ぶ。「XENPAK」「X2」「XPAK」は48節改を、「XFP」は48節そのものを使う。

使用する光ファイバーは、大きく分けて2種類ある。主に距離や速度で使い分けられている。

SMF(シングル・モード・ファイバー)
伝送距離が長いが高価である。
MMF(マルチ・モード・ファイバー)
伝送距離が短いが安価である。

光ファイバを使用したイーサネットでも、物理的な信号に光を使うだけで、伝送するMACフレームは銅ケーブルのイーサネットと変わらない[12]

物理層[編集]

ルーターとスイッチを直接結ぶ、最も一般的な光ファイバーの種類はレイヤー1の「物理層」で規定されている。物理層では回線速度が10.3125Gbit/sで符号化方式は64B/66Bエンコーディングが使われる。ただし10GBASE-SW、10GBASE-LW、10GBASE-EWはSDH/SONETの符号化方式を使う[12]

光ファイバーによる各規格[編集]

10GBASE-SR
10GBASE-SR (Short Reach) はマルチモード光ファイバーを使って短距離をサポートするよう設計され、その限界距離はケーブルによって26mから82mである。また300mの使用が可能な新しい50μm 2,000MHz·km、850nmのマルチモード光ファイバーがある。
10GBASE-LRM
10GBASE-LRMは2006年に承認された802.3aqで標準化された。[13]これは、FDDIと100BASE-FXネットワーク用に1990年代初頭にインストールされたFDDI級の62.5µm マルチモード光ファイバーで最長220mをサポートする。
10GBASE-LR
10GBASE-LR (Long Reach) は波長1,310nmの光源を使い、最大10kmのシングルモード光ファイバーをサポートする 10ギガビット・イーサネットである。IEEE 802.3 49節の64B-66B フィジカル・コーディング・サブレイヤー (Physical Coding Sublayer、PCS) を使用し、シリアル伝送を行う。
10GBASE-ER
10GBASE-ER (Extended Reach) は、1,550nmを使ってシングルモード光ファイバーで最大40kmまでサポートする。
10GBASE-ZR
10GBASE-ZR は、1,550nmを使ってシングルモード光ファイバーで最大80kmまでサポートする。[14]
10Gビット・イーサネットの主要な規格(光ファイバー)[12]
規格名 10GBASE-SR 10GBASE-LR 10GBASE-ER
光ファイバ形式 MMF
コア径
62.5μm
MMF
コア径
50μm
新型MMF
コア径
50μm
SMF SMF
最大伝送距離 26m/33m 66m/82m 300m 10km 30km/40km
波長 840 - 860nm 840 - 860nm 840 - 860nm 1,260 - 1,355nm  1,530 - 1,565nm
符号化方式 64B/66B 64B/66B 64B/66B 64B/66B 64B/66B

その他[編集]

日本での使用例[編集]

IXの例
日本インターネットエクスチェンジ (JPIX) では都内5か所の拠点間が40km以内であるため、それぞれに置かれたスイッチの間を10GBASE-ERで直接繋いでいる。10km以内のところは10GBASE-LRで繋いでいる。最大4リンクのリンク・アグリゲーションも使っている。
NECビッグローブの例
東京近郊のデータセンター間を10Gビット・イーサネットでつないでいる。距離が40km以上になる区間には、光信号を中継延長する光伝送装置を置いている[12]
映像制作環境の例
2007年初頭段階で、都内のCGなどの映像制作会社では、単純な社内LANとして10Gビット・イーサネットを用いた映画制作が始まっている。コンポジット作業用途のクライアントPCなど、高速なディスクアクセス要求の強い場面で、10GBASE-CX4のNICをデザイナー等が使用するWindows XPなどの一般的なPCに直接装着し、10Gビット・イーサネット対応のNAS等と10GBASE-CX4の安価なスイッチ経由での運用がされている。本来この分野は、F/C接続のSANなどの守備範囲であったが、F/Cに比べて安価な点が魅力となっている。イーサネットであるがため、F/Cに劣る部分もあるようだが、ローカルのハードディスクドライブの代わりとして高速なストレージサーバをマウントすることで、共同作業者間でのTB単位の大容量データの共有、データ集約、データ保護、などが簡単に行えるため、業務の効率化を安価に実現できる簡易な方法として、広まりつつある。そうして制作された映画第一号に、映画「よなよなペンギン」がある。

次期規格[編集]

次の高速イーサネット規格である「40ギガビット・イーサネット100ギガビット・イーサネット」がIEEE内のHigh Speed Study Groupで規格が策定され、2010年6月に正式承認された。規格名は「IEEE 802.3ba」。現在、各機器メーカーがテスト機を使用するなどしていて、2011年6月には世界初の実証実験が行われた[15]

関連項目[編集]

出典と注記[編集]

  1. ^ a b c d e f g h i http://www.bicsi-japan.org/event/2008/pdf/kaneda.pdf
  2. ^ Optcore 10GBASE-ZR SFP+.
  3. ^ サイトによっては「正確には9.42Gbps」と記しているところもあるが、10GBASE-Tの速度は正確に10Gbpsであり、9.42Gbpsという記載は誤りである。
  4. ^ Broadcom 10GBASE-T PHY
  5. ^ Teranetics 10GBASE-T PHY
  6. ^ Solar Flare 10GBASE-T PHY
  7. ^ Aquantia 10GBASE-T PHY
  8. ^ Intel 10Gigabit AT2 Server Adapter
  9. ^ ANEXTの実測が必要と言う事である
  10. ^ a b c http://home.jeita.or.jp/is/seminar/110210_igcs/pdf/4.pdf
  11. ^ 日経NETWORK 2007年4月号 「10ギガイーサLANケーブル」 p84
  12. ^ a b c d 日経NETWORK 2007年10月号 「"今どき"のイーサネット プロバイダとIX」 p34-p35
  13. ^ IEEE Standards Status Report for 802.3aq.
  14. ^ Optcore 10GBASE-ZR SFP+.
  15. ^ 100GbEのIX実証実験に世界で初めて成功、インターネットマルチフィードなど、Internet Watch、2011年6月1日付

外部リンク[編集]